专利名称：四操作器在音响合成时灵活组合的方法和集成电路的制作方法
这里将1994年9月申请题为“音响音响电子波形的产生方法和集成电路”待审批的申请(申请号为08/？？？？？？)也包括进来，以供参考。
本发明总的说来涉及电子装置，更具体地说，涉及一种产生发声的乐音和电子音调用的波开拓合成器。
每一个乐器都有自已的与声波振幅包络信号电平增高率、衰变率、持续率和释放率有关的特征音。举例说，钢琴声的包络在按压琴键时信号电平增高率最大，持续按压琴键时信号电平增高率慢慢减小。压住钢琴的续响脚踏板时，琴音衰减得更慢。钢琴在信号电平增高过程中还有许多谐波泛音随着时间的推移减小到谐波内容接近恒定为止。
声频音响合成数字集成电路中习惯上都采用调频(FM)技术来产生含高谐声和非谐声的复合波形。调制指数与较高次谐波频谱分布之间存在着自然的相应关系，可以产生一整套的音响。FM音响是利用载波调制取得的效果产生的。巧妙应用基本FM参数(例如载波输出电平、调制器输出电平、调制器反馈电平、载波频率和调制器的频率)可以得出音乐音响的音高、音调和声级。
Nishimoto在题为ELECTRONIC MUSICAL INSTRUMENT FOR TONEFORMATION BY SELECTABLE TONE SYNTHESIS COMPUTATIONS(选择性音调合成计算法形成音调的电子乐器)的美国专利4,297,933和题为
I3sin(w3t＋I2sin(w2t))＋I1sin(w1t＋I0sin(w0t)).(2)ELECTRONIC MUSICAL INSTRUMENT CAPABLE OF VARYING A TONESYNTHESIS OPERATION ALGORITHM(能改变音调合成控制法的电子乐器)的美国专利4,554,857中，Hiyoshi在题为MUSICAL TONE FORMINGDEVICE BY FM TECHNOLOGY(FM法产生乐音的乐器)的美国专利4,253,367中，都介绍了传统合成音调的方法。
1977年4月19日公布的John Chowing的美国专利4,018,121介绍了音乐音响(例如起调制作用的正弦波、调制波形的随时间而变化的包络函数和调幅波振幅随时间而变化的包络函数)的基本FM合成过程。调制波的振幅或调制波的包络函数随时间而变化，从而使得出的调频波形的频谱在声波信号电平增高、持续和衰变过程中变化。改变最终声波波幅通常采用包络函数，但Chowning将包络函数加到调制波形来改变所产生声波频谱的时间。
Yamaha OPLII可以容许两个音响合成操作器(operator)组合得使其中一个操作器调制从另一操作器出来的正弦波输出在一个加法器中混合起来。YM262型的Yamaha OPLIII使四个操作器可按四种方式之一组合。
在第一种情况下，四个操作器串联连接，第一操作器(例如“A”)调制第二操作器(例如“B”)的正弦波，第二操作器调制第三操作器(例如“C”)的正弦波，第三操作器调制第四操作器(例如“D”)的正弦波后将其输出。这种第一组合的输出(“Q(t)”)，可用下列数学式(1)表示I3sin(w3t＋I2sin(w2t＋I1sin(w1t＋I0sin(w0t)))).(1)在第二种情况下，两个操作器(例如“A”和“C”)分别连接得使其调制另两个操作器(例如“B”和“D”)的正弦波形，再将该两串正弦波形在加法器中混合起来。此第二组合的输出(“Q(t)”)可用(2)式所示的数学式表示
在第三种情况下，第一操作器(例如“A”)加到其它三个操作器(例如“B”、“C”和“D”)串的输出端。此第三组合的输出可按(3)式所示的数学式表示I3sin(w3t＋I2sin(w2t＋I1sin(w1t)))＋I0sin(w0t).(3)在第四种情况下，第一操作器(例如“A”)加到其它两操作器串(例如“B”和“C”)的输出端。此第四组合输出(“Q(t)”)可用数字式(4)表示I3sin(w3t)＋I2sin(w2t＋I1sin(w1t))＋I0sin(w0t).(4)组合如此四个操作器的方法通常采用若干多路调制器将四个操作器的某些输入和输出转换成(1)-(4)式表示的四种构型。为了更好地利用四个操作器的音响合成能力，需要一个更灵活组合四个操作器的方法。
因此，本发明的目的是提供利用四个操作器进行音响合成的一种方法。
本发明的另一个目的是提供一种履行单一主算法的电子电路，该主算法具有足够的输入参数来基本上表示所要求的所有音调方案。
简单说来，本发明的四操作器电路的实施例包括第一至第四音响合成操作器；第一可编程的乘法器，将第一操作器的输出端连接到第二操作器的输出端；第二可编程的乘法器，将第二操作器的输出端连接到第三操作器的输入端；第三可编程的乘法器，将第三操作器的输出端连接到第四操作器的输入端；第四可编程乘法器，将第一操作器的输出端连接到一个四输入端加法器的第一输入端；第五可编程的乘法器，将第二操作器的输出端连接到所述四输入端加法器的第二输入端；第六可编程的乘法器，将第三操作器的输出端连接到所述四输入端加法器的第三输入端；和第七可编程的乘法器，将第四操作器的输出端连接到所述四输入端加法器的第四输入端。组合结果从四输入端加法器的输出端提取。各可编程的乘法器可编程得使其乘以从0到1，例如0、1/2和1。
本发明的好处是，提供了一种只用一个电路就能产生基本上所有要求的音调方案的音频发生器。
本发明的另一个好处是提供了一种能在音频产生过程中修正音色的随时间变化的倍乘系数。
本技术领域的一般技术人员在阅读下面就各附图中所示的最佳实施例所作的详细说明之后肯定会清楚了解本发明的上述和其它目的和优点的。
图1是音频发生器系统连同四个类似图2所示的操作器和方框图。
图2是一般操作器的原理图。
图1中，音频发生器10有一个参数控制器(PC)12与音调合成电路13相连接。音调合成电路13有好几种功能中作为硬件或软件加以实施。因此图1中和音调合成电路13在软件的情报况下表示流程图，在硬件的情况下表示功能方框图。音调合成电路13能产生数学式如下面的(5)式所示的输出信号“Q(t)”A3I3sin(w3t＋B2I2sin(w2t＋B1I1sin(w1t＋B0I0sin(w0t))))＋A2I2sin(w2t＋B1I1sin(w1t＋B0I0sin(w0t)))＋A1I1sin(w1t＋B0I0sin(w0t))＋A0I0sin(w0t). (5)音调合成电路13能用四个操作器进行计算，它包括第一操作器(OP0)14、第二操作器(OP1)16、第三操作器(OP2)18、第四操作器(OP3)20、相位发生器22、四输入端加法器24和输出放大器26。虽然图1中示出的是四个硬件操作器(14、16、18和20)，但采用单个时分操作器也可取得良好的效果。乘法器28((5)式中用“B0”表示)将OP014的输出端连接到OP1 16的输入端，且由来自PC 12的信号MOD1控制。乘法器30(5)式中用“B1”表示)将OP1 16的输出端连接到OP2 18的输入端，且由来自PC 12的信号MOD2控制。乘法器32((5)式中用“B2”表示)将输出端连接到OP3 20的输入端，且由来自PC 12的信号MOD3控制。OP0 14的输出端通过受来自PC 12的信号OUTL0控制的乘法器34((5)式中用“A0”表示)向外连接到四输入端加法器24上。OP1 16的输出端通过受来自PC 12的信号OUT LI控制的乘法器36((5)式中用“A1”表示)向外连接到四输入端加法器24上。OP2 18的输出端通过受来自PC 12的信号OUTL2控制的乘法器38((5)式中用“A2”表示)向外连接到四输入端加法器24上。OP3 20的输出端通过受来自PC 12的信号OUTL3控制的乘法器40((5)式中用“A3”表示)向外连接到四输入端加法器24上。
乘法器28、30、32、34、36、38和40的结构给各操作器14、16、18和20在放大器26的输出端进行的最终计算中的混合和加权操作带来了很大的灵活性。
每一个调制乘法器28、30和32和每一个输出乘法器34、36、38和40都连接得使其可以接收来自参数控制器0至1范围的控制信号。乘法器中采用许多不同的方法进行相乘，例如，布尔算法，华莱士(加法)树、和在运用记录领域中相加等。
用以控制各乘法器的参数可以随时间而变化，以便在律音中改变音色。举例说，各参数可以成直线上升。从而使(1)式音调与(2)式音调之间产生滑动现象，以便将音色转移到音律的信号电平增高与持续之间。此外还可以控制乘法器使其与奏乐者敲击接PC 62的键盘42上的键所使用的速度或压力成正比，这样做有好处。
用图1所示合乎(5)式要求的电路可以例如在PC 12取下列设定值合成(1)-(4)式所表示的乐音和电子音响和音调
还可进行四个以上操作器的组合，这时可能得出7个值A3、A2、A1、A0、B2、B1和B0的二进制组合。此外还可以给七个值中每一个取0与1之间的值来获得更多的组合。
图1的操作器OP0 14、OP1 16、OP2 18和OP3 20并不局限于图1和图2所示的操作器，一般的操作器也可同样获得良好的效果，按图1所示的方式组合任意数目的操作器也可以产生其它音频效应。
图2示出了曾用作图1的各操作器14、16、18和20的操作器50。不然也可以将单一操作器50时分多路调制，起所有四个分立的操作器14、16、18和20的作用。一般的操作器最起码的组成应包括一个加法器、一个波形发生器和一个乘法器。操作器50包括与第一乘法器54连接的第一加法器52、第二加法器56、波形发生器58、第二乘法器60和锁存器62。总线64接收表示输入(in1)的数字并行字。总线66接收表示第二输入(in2)和另一个数字并行字。各总线64和66一般是12位元宽，但其它字宽也同样行。举例说，第一加法器52的计算结果经第一乘法器54相乘1/2就得出12位元。令数字字向最低有效位移位一个位元实际上就是乘上1/2(除以2)。总线68用以往第二加法器56中输入表示地址相的数字并行字。数字并行地址在第二加法器56工作时输出到波形发生器58。
波形发生器58可采用只读存储器(ROM)。举例说，整个或一部分纯正弦波形可编程得使其输入ROM中，从而在用数字表示的输出值“sinY”中得出输入地址“Y”。或者波形发生器也可以不装任何存储器而可以加上布尔逻辑来产生调制波形。在集成电路上采用加法器和标准单元门技术制取如此无存储器的波形发生器是切合实际的。为产生全部要求的波形的谐和音，最好令波形发生器58能产生四个全是带正弦波四分之一相位的和零波双相位的双相。接着可以依次读取所有四分之一相位产生整个周期的每一个所要求的波形。
波形发生器58的并行数字输出字加到第二乘法器60上。举例说，第二乘法器60可采用运行记录领域的加法器或移位器将波形发生器58的数字输出字向左或向右移若干位，这个过程由表示总线70上通用倍乘系数(B)的数字并行字控制。时钟线72使异步进行的计算通过锁存器62在每一个周期同步时钟输出一次。这种设计与状态机类似，使现阶段的计算结果在锁存之前确定下来，然后在下一个时钟周期的下一个阶段再使用。
虽然本发明是就目前认为最佳的实施例进行说明的，但不言而喻，本发明并不局限于这里所公开的内容。在阅读上述公开内容之后，本技术领域的一般技术人员毫无疑问是可以进行种种更改和修改的。因此，本说明书所附的权利要求书应视为包括所有的更改和修改方案，因为这些方案都在本发明的精神实质和范围之内。
权利要求
1.一种产生复合波形的方法，包括下列步骤将多个音响合成操作器(I0…In)的第一个操作器(I0)的输出乘上一个乘数系数(B0)，得出的乘积(I0B0)用以调制所述音响合成操作器(I0…In)的第二个操作器(I1)；将多个音响合成操作器(I0…In)的第二个操作器(I1)的输出乘上一个乘法系数(B1)，得出的乘积(I1B1)用以调制所述音响合成操作器(I0…In)的第n个操作器(In)；将所述多个音响合成操作器(I0…In)的每一个所述输出乘上各多个独立乘数值(A0…An)，得出多个乘积(I0A0…InAn)；将所述多个乘积(I0A0…InAn)加起来，得出合成音调输出。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于第三步骤中各所述输出乘上的所述乘数值(A0…An)随时间而变化；第一和第二步骤中输出乘上的乘数系数(B0和B1)随时间变化。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于第三步骤中各所述输出乘上的所述乘数值(A0…An)与奏乐者通过参数控制器使用在所述多个音响合成操作器相连接的键盘的速度或压力成正比变化；第一和第二步骤中输出乘上的所述乘数系数(B0和B1)随奏乐者在所述键盘上所使用的速度或压力成正比地变化。
4.一种用四个音响合成操作器产生复合波形的方法，包括下列步骤将所述四个音响合成操作器(I0…I3)的第一操作器(I0)乘上乘数系数(B0)，得出的乘积(I0B0)用以调制所述音响合成操作器(I0…I3)的第二操作器(I1)；将所述四个音响合成操作器(I0…I3)的第二操作器(I1)乘上乘数系数(B1)，得出的乘积(I1B1)用以调制所述音响合成操作器(I0…I3)的第三操作器(I2)；将所述四个音响合成操作器(I0…I3)的所述第三操作器(I2)乘上乘数系数(B2)，得出的乘积(I2B2)用以调制所述音响合成操作器(I0…I3)的第四操作器(I3)；将每一个所述四个音响合成操作器(I0…I3)乘上各多个独立乘数值(A0…A3)，得出多个乘积(I0A0，I，A1，I2A2和I3A3)；将各所述多个乘积(I0A0，I，A1，I2A2和I3A3)相加，得出合成音调输出。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于第四步骤中各所述输出乘上的乘数值(A0…An)随时间而变化；且第一至第三步骤中输出乘上的乘数系数(B0…B2)随时间变化。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于第四步骤中各所述输出乘上的乘数值(A0…An)随奏乐者通过参数控制器使用在所述多个音响合成操作器连接的键盘上的速度或压力成正比地变化；且第一至第三步骤中输出乘上的所述乘数系数(B0…B2)与奏乐者在所述键盘上使用的速度或压压力成正比地变化。
7.一种四操作器的音响合成器，包括第一至第四音响合成操作器；第一可编程的乘法器，将第一操作器的输出端连接到第二操作器的输入端；第二可编程的乘法器，将第二操作器的输出端连接到第三操作器的输入端；第三可编程的乘法器，将第三操作器的输出端连接到第四操作器的输入端；第四可编程的乘法器，将第一操作器的输出端连接到四输入端加法器的第一输入端；第五可编程的乘法器，将第二操作器的输出端连接到四输入端加法器的第二输入端；第六可编程的乘法器，将第三操作器的输入端连接到四输入端加法器的第三输入端；第七可编程的乘法器，将第四操作器的输出端连接到四输入端加法器的第四输入端；其特征在于，从四输入端加法器的输出端提取组合结果。
全文摘要
一种四操作器音响合成集成电路，具有第一至第四音响合成操作器，第一、二、三操作器的输出端分别由第一、二、三可编程的乘法器连接到第二、三、四操作器的输入端，第一、二、三、四操作器的输出端分别第四、五、六、七可编程的倍增器连接到四输入端加法器的第一、二、三、四输入端。组合结果从四输入端加法器的输出端提取。各可编程的倍增器可编程得使其倍增率从0到1，例如0、1/2和1。
文档编号G10H5/00GK1133466SQ9511515
公开日1996年10月16日 申请日期1995年9月13日 优先权日1994年9月13日
发明者小·R·N·皮尔斯 申请人:Ess技术公司